[發明專利]一種微小型AUV水下運動和懸停控制方法

有效

• 申請號: 202110678419.2
• 申請日: 2021-06-18
• 公開（公告）號: CN113359785B
• 公開（公告）日: 2023-03-03
• 發明（設計）人: 蔡磊;李岳峻;陳振學;張盛平;徐濤
• 申請（專利權）人: 河南科技學院
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 栗改

1.一種微小型AUV水下運動和懸停控制方法，其特征在于，其步驟如下：

步驟一：優化設計AUV的槳舵驅動系統和浮力調節系統，槳舵驅動系統包括雙螺旋槳驅動器和三方向舵，浮力調節系統包括浮力調節裝置；

步驟二：AUV水下作業控制：通過槳舵驅動系統實現槳舵驅動控制，浮力調節系統實現浮力調節控制，從而實現不同深度下的水下運動控制；通過浮力調節裝置實現浮力調節控制保持浮力平衡，同時調整三方向舵控制AUV機體懸停的穩定性，實現定深懸停穩定控制；當AUV機體受海流影響偏離原懸停位置，通過水下運動控制回航到原懸停位置；

所述水下運動控制包括上浮、下潛和高速機動過程的變深運動控制，定深懸停穩定控制為水下固定深度作業的運動控制；

所述水下運動控制的方法為：

S1：對AUV水下運動控制進行數學建模，建立水下空間六自由度的運動學方程和動力學方程；

S2：期望速度結合六自由度下的線速度與角速度向量，得到速度誤差值V_e；期望位置姿態結合得到運動學方程的三維空間位置與姿態角向量，得到姿態誤差值η_e；并將速度誤差值V_e和姿態誤差值η_e傳送至運動控制器；

S3：海流觀測器根據動力學方程在線估計水流速度，并傳送至運動控制器，動力學方程輸出的各個方向和角度上的控制力矩傳送至運動控制器；

S4：運動控制器綜合海流觀測器、運動學方程和動力學方程，在不定海流的影響下，自主實現對AUV機體的運動進行決策，輸出控制信號給執行機構即雙螺旋槳驅動器、三方向舵和浮力調節裝置；

步驟三：水下長時作業期間，AUV進入低功耗的檢測狀態；當電量下降到一定程度時，AUV進行自主喚醒，上浮到海面進行回收。

2.根據權利要求1所述的微小型AUV水下運動和懸停控制方法，其特征在于，所述AUV的機體采用LY12硬質鋁合金制成，機體的表面進行金屬陽極氧化提高材料表面的硬度、耐腐蝕性；所述三方向舵固定在機體的尾部，且在AUV正前方視角下，分別安裝在機體的0°、90°和270°位置，三方向舵包括兩個水平方向舵和一個豎直方向舵；所述雙螺旋槳驅動器以等間距與水平舵平行放置于AUV的機體尾部的兩側；所述浮力調節裝置采用吸排水浮力調節方式，利用齒輪-滾珠絲杠傳動的活塞結構實現浮力調節控制，浮力調節裝置豎直放置在機體的浮心處。

3.根據權利要求1或2所述的微小型AUV水下運動和懸停控制方法，其特征在于，所述AUV的機體內設有高密度的能量電池，AUV的機體浮心正下方設有過濾海水入口。

4.根據權利要求3所述的微小型AUV水下運動和懸停控制方法，其特征在于，所述步驟S1中建立水下空間六自由度的運動學方程和動力學方程的方法為：

設定運動坐標系O-xyz和固定坐標系E-ξηζ，運動坐標系O-xyz的原點在AUV的浮心處，AUV正前方為x方向；固定坐標系E-ξηζ的原點E位于海平面；

通過坐標系轉換，將AUV水下運動的各個參數轉換到固定坐標系下，則AUV在水下空間的六自由度的運動學方程為：

其中，運動坐標系下，u、v、w分別表示AUV在x、y、z三個軸向上的線速度，即縱向速度u、橫向速度v和垂向速度w，p、q、r分別表示AUV在x、y、z三個軸向上的角速度，即橫搖角速度p、縱傾角速度q和偏航角速度r；固體坐標系下，ξ、η、ζ分別表示AUV在固定坐標系下三個維度方向上的位置；φ、θ、ψ分別表示AUV在三個維度方向上的姿態角，橫搖角φ、俯仰角θ和艏向角ψ；通過坐標轉換，得到的AUV在固定坐標系下三個維度方向上的實時位置信息和三個維度方向上的實時角度信息

根據牛頓-歐拉運動方程，微小型AUV在固定坐標系下的六自由度的動力學方程為：

其中：為包括附加質量的微小型AUV的慣性矩陣，為科里奧利向心力矩陣，為流體阻尼矩陣，為微小型AUV所受的重力與浮力產生的恢復力向量，為微小型AUV的執行機構產生的力及力矩向量，這里的η和v分別表示AUV在固定坐標系下的位置和姿態角為向量η＝[ξ η ζ φ θ ψ]^T、在運動坐標系下的線速度和角速度為向量v＝[u v w p q r]^T，表示v的一階導向量。